L'écoulement et le transport dans les milieux hétérogènes a principalement lieu dans des chenaux d'écoulement préférentiels. Il est donc crucial d'y caractériser au mieux les processus de transport. Pourtant, les techniques actuelles ne permettent pas de décrire le transport à l'échelle d'un site par les équations valides à l'échelle hydrodynamique, il est donc nécessaire d'effectuer un changement d'échelle pour décrire le transport à une échelle où la complexité du milieu n'apparaît plus directement. Les principaux objectifs de cette thèse ont été de caractériser l'impact à l'échelle du chenal de deux effets négligés dans la plupart des études hydrogéologiques. (i) Le premier survient lorsque la présence du soluté modifie significativement la masse volumique du fluide. Ce contraste densitaire modifie le chemin emprunté par le nuage de soluté. Dans un chenal horizontal lisse, le régime pré-asymptotique de dispersion est modifié et le nuage de soluté subit un retard. (ii) L'autre effet classiquement négligé survient lorsque l'écoulement est rapide (ou la viscosité du fluide faible). Les effets inertiels qui entrent alors en jeu sont étudiés dans un chenal d'ouverture variable et périodique. Des zones de recirculation apparaissent dans les cavités. Un soluté peut y pénétrer par diffusion et y rester piégé durant un temps long, tandis que l'écoulement principal est réduit à un chenal central d'ouverture moins hétérogène. (iii) Enfin, la combinaison des effets (i) et (ii) est abordée. Chacune des trois études est menée à l'échelle hydrodynamique en fonction du nombre de Reynolds, du nombre de Péclet et d'un nombre adimensionnel quantifiant l'impact du contraste densitaire.

Une nouvelle génération de spectromètres imageurs émerge dans le domaine de l'exploration spatiale par l'ajout d'une dimension supplémentaire de mesure, la dimension angulaire. L'imagerie spectroscopique multi-angulaire est conçue pour fournir une caractérisation plus précise des matériaux planétaires et permet une meilleure séparation des signaux provenant de l'atmosphère et la surface. Le capteur Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars (CRISM) à bord de la sonde Mars Reconnaissance Orbiter est une caméra hyperspectrale qui fonctionne systématiquement dans le mode multi-angulaire depuis l'orbite. Néanmoins, les images multi-angulaires hyperspectrales posent certains problèmes de manipulation, de visualisation et d'analyse en raison de leur taille et de leur complexité. Dans ce cadre, cette thèse propose des algorithmes statistiques et physiques pour analyser les images acquises par l'instrument CRISM de manière efficace et robuste. Premièrement, je propose une chaîne de post-traitement visant à améliorer la qualité radiométrique des données CRISM et à générer des produits améliorés, ces dernières données étant conçues pour permettre une analyse fine de la planète Mars. Deuxièmement, je m'intéresse à la correction atmosphérique des images CRISM en exploitant les capacités multi-angulaires de cet instrument. Un algorithme innovant, à base physique est mis en oeuvre pour compenser les effets atmosphériques afin d'estimer la reflectance de surface. Cette approche est particulièrement utilisée dans cette thèse pour déduire les propriétés photométriques des matériaux qui coexistent dans un site spécifique de Mars, le cratère de Gusev. Troisièmement, j'effectue une comparaison d'une sélection des meilleurs techniques existantes, visant à réaliser une déconvolution spectrale des données acquises par l'instrument CRISM. Ces techniques statistiques se sont avérées utiles lors de l'analyse d'images hyperspectrales de manière non supervisé, c'est a dire, sans aucun a priori sur la scène. Une stratégie originale est proposée pour discriminer les techniques les plus appropriées pour l'exploration de Mars, à partir de données indépendantes provenant d'autres capteurs d'imagerie haute résolution afin de construire une vérité de terrain.

Nos connaissances et notre compréhension de la dynamique sédimentaire des plages macrotidales sont encore limitées de nos jours en raison d'un manque de données lié à la plus faible proportion de ces plages à l'échelle mondiale. Trois plages macrotidales à barres et à bâches du littoral de la Côte d'Opale dans le Nord de la France ont été choisies pour mener cette étude. Elle se base sur trois approches différentes visant à caractériser (1) le régime tidal et les conditions hydrodynamiques, (2) la morphologie de la zone intertidale et (3) les flux sédimentaires longitudinaux (FL) et transversaux (FC) dans diverses conditions tidales et énergétiques. Le transport a été mesuré dans la zone proche du déferlement à l'aide de pièges à sédiment de type Kraus (1987) permettant de caractériser le débit solide à plusieurs niveaux au dessus du fond au cours de conditions d'agitation faibles à modérées (Hs < 1 m). Malgré une uniformité des flux le long de la plage, les phénomènes de vidange des bâches par l'intermédiaire de chenaux perpendiculaires au trait de côte permettent l'introduction de volumes de sédiment significatifs, augmentant localement le FL. La distribution des flux à travers l'estran présente, quant à elle, une décroissance nette du bas de plage vers le haut de plage. Les mesures simultanées de FL et de FC ont démontré que le FC dirigé vers le haut de plage et la résultante du FC sont dans la plupart des cas supérieurs aux FL en raison de la plus forte intensité des vitesses de courant oscillatoire. Ces résultats mettent en évidence des mouvements significatifs de volume de sable à travers la zone intertidale à l'échelle de la mesure, ce qui influence fortement la morphodynamique de la plage. L'ensemble de la zone intertidale est toutefois apparue relativement stable, avec des changements plus significatifs à court terme qu'à plus long terme. Les mesures de transport ont permis de mettre en lumière le rôle fondamental des bâches dans la dynamique des plages macrotidales. Ces dépressions inter-barres sont en effet responsables de la canalisation du sédiment le long du rivage, limitant ainsi les transports sédimentaires transversaux et par conséquent la migration des barres intertidales. Il est vraisemblable que le temps de résidence et l'intensité des processus hydro-sédimentaires jouent un rôle prépondérant dans la dynamique des barres intertidales. Les mesures ont également été comparées avec plusieurs estimations du transport sédimentaire issues de modèles numériques et morphodynamiques. Bien que les flux calculés surestiment en général le transport mesuré, certaines formules semblent plus adaptées pour déterminer le FL dans la zone de levée.

L'océan côtier est le siège de nombreux processus physiques d'échelles variées ; les attentes du public y sont nombreuses. Il convient d'améliorer notre connaissance de cette zone complexe, par la modélisation et la collecte de données. Les modèles numériques sont utiles à la conception de réseaux d'observation, car ils constituent une représentation de la réalité riche en informations sur la zone. Les méthodes d'ensemble permettent de représenter les statistiques d'erreurs du modèle, qu'un réseau performant sera capable de détecter ou de contraindre.<br />Dans un premier temps, nous assimilons à l'aide d'un filtre de Kalman d'ensemble des données simulant les mesures d'un altimètre à fauchée dans un modèle barotrope en Mer du Nord. La mesure de la pente de surface de la mer permet de mieux représenter les courants et étend le domaine d'influence des observations. Le roulis du satellite induit une corrélation dans les erreurs d'observation le long de la trace, qui s'il est pris en compte dans le schéma d'assimilation ne remet pas en cause l'apport de l'instrument.<br />Dans un second temps, nous développons une technique d'analyse de performances de réseaux d'observation, qui permet de définir un critère quantitatif de discrimination de divers réseaux ainsi qu'une analyse qualitative permettant de comprendre l'impact du réseau considéré sur toutes les dimensions du modèle. A l'aide d'un modèle 3D du Golfe de Gascogne, cette technique nous permet de démontrer les capacités d'un altimètre à fauchée à observer la dynamique méso échelle de l'océan côtier, ainsi que l'apport de mesures de courant dans la conception d'une campagne de mesures, et enfin l'apport de données marégraphiques.

La surface de neige sur le Plateau Antarctique joue un rôle important dans l'étude du bilan de masse et d'énergie de surface. Ses caractéristiques dépendent des interactions entre les conditions atmosphériques et le haut du manteau neigeux, à travers notamment les précipitations, la redistribution de neige par le vent et le métamorphisme. L'ensemble des aspects de la surface, i.e. le type de cristaux, la rugosité, la densité, l'albédo ..., sont regroupés sous la formule état de surface. L'objectif de cette thèse est l'étude de l'état de surface et de son évolution, en fonction des conditions atmosphériques, à l'aide d'observations in situ et satellite. L'analyse conjointe d'observations in situ, essentiellement à partir de photographies infrarouges de la surface (développement d'un algorithme examinant la texture des images), et satellite, principalement l'émission micro-onde du manteau neigeux (utilisation du rapport de polarisation sensible à la densité proche de la surface), a permis de montrer une dynamique rapide de la surface à Dôme C. En particulier, des périodes où le givre recouvre entièrement la surface sont observées et représentent environ 45% du temps. Cette dynamique est aussi caractérisée par des élévations rapides et importantes de la surface, pouvant être largement supérieures à l'accumulation annuelle moyenne de 8 cm (jusqu'à 20 cm en 2 heures). Le vent est déterminant dans l'évolution de la surface. Plus particulièrement, ces travaux ont montrés l'importance de la direction du vent pour la disparition du givre (perpendiculaire à la direction dominante, i.e. le sud-ouest). Enfin, la corrélation entre présence de givre et rapport de polarisation a permis d'étendre ces résultats sur les 10 années d'observation du satellite et ouvre la voie à la détection des précipitations par télédétection. La modélisation de l'émission micro-onde à 19 et 37 GHz a ensuite été menée à Dôme C à l'aide d'un modèle de transfert radiatif (DMRT-ML). Les propriétés du manteau neigeux (taille des grains, densité et température), utilisées en entrée du modèle, ont été mesurées durant la campagne d'été 2010 - 2011. Les résultats des simulations montrent que la densité de la neige proche de la surface est principalement responsable des variations du rapport de polarisation. Cette densité a ainsi été " inversée " à Dôme C sur 10 ans. Elle montre une tendance pluriannuelle à la baisse de 10 kg m-3 a-1, superposée à un cycle annuel et à des variations journalières / hebdomadaires. La mesure in situ de la densité et l'observation du givre coïncident avec les variations rapides de la densité estimée. L'évolution pluriannuelle conséquente mérite d'être prise en compte pour l'étude du bilan de masse de surface, les causes probables étant une hausse des précipitations ou une baisse de l'intensité du vent. Suivant une méthodologie similaire, l'évolution de la densité de surface a été déduite pour l'ensemble de l'Antarctique. Les variations spatiales mettent en évidence une tendance claire à la diminution de la densité sur une grande région entre Dôme C et Vostok et une région à l'est de Dôme C où elle augmente. À plus grande échelle, le rapport de polarisation moyen montre de grandes variations, signatures de la stratification en densité du manteau neigeux. L'étude de l'altimétrie satellite permettrat de corroborer ces résultats.

Le Bilan de Masse de Surface (BMS, c'est-à-dire les précipitations de neige auxquelles est retranchée l'ablation par sublimation, ruissellement ou érosion) de la calotte polaire Antarctique représente une contribution majeure et encore mal connue à l'évolution actuelle du niveau des mers. Le stockage d'eau douce par accumulation de neige sur la calotte posée est supposé s'intensifier au cours du 21eme siècle, modérant l'élévation du niveau des mers et modifiant la dynamique glaciaire. Les trois-quarts du bilan de masse de surface Antarctique sont concentrés au dessous de 2000 m d'altitude alors que cette zone ne représente que 40% de la surface de la calotte posée. Les précipitations orographiques sont une contribution majeure à l'accumulation dans cette région, il est donc crucial d'estimer précisément ce terme. La modélisation de ce processus est fortement dépendant de la résolution des modèles, car les pentes de la calotte influencent l'intensité des précipitations orographiques. La sublimation et la fonte de la neige sont eux aussi fortement dépendant de l'élévation. Bien qu'ils contribuent actuellement peu au bilan de masse de surface de l'Antarctique, ils sont susceptibles de subir des changements importants au cours des prochains siècles. Les modèles atmosphériques de climat, globaux ou régionaux, ne peuvent pas atteindre une résolution allant au delà de 40 km sur l'Antarctique pour des simulations à l'échelle du siècle du fait de coûts de calcul importants. A ces résolutions, la topographie des zones côtières Antarctique n'est pas correctement représentée. C'est pourquoi nous avons développé le modèle de régionalisation SMHiL (Surface Mass balance High-resolution downscaLing) qui permet d'estimer les composantes du bilan de masse de surface Antarctique à haute résolution (~15 km) à partir de champs atmosphériques de plus grande échelle. Nous calculons l'effet de la topographie fine sur les précipitations orographiques et sur les processus de couche limite menant à la sublimation, la fonte et le regel. SMHiL est validé pour la période actuelle à partir d'un jeu de données inédit constitué de plus de 2700 observations de qualité contrôlée. Cependant, les observations représentatives du BMS de la zone côtière Antarctique y sont sous-représentées. Dans ce contexte, nous montrons que la ligne de balise mise en place par l'observatoire GLACIOCLIM-SAMBA en bordure de calotte constitue une référence pour estimer les performances des modèles. Enfin, nous utilisons SMHiL à l'aval du modèle de circulation générale LMDZ4 pour évaluer les variations de BMS au cours du 21eme et du 22eme siècles. Le BMS à haute résolution est significativement différent de celui de LMDZ4 et est plus proche du BMS observé pour la période actuelle. Les résultats suggèrent que les précédentes estimations d'augmentation du BMS au cours du prochain siècle étaient sous-estimées de près de 30% par LMDZ4. Les changements de BMS à faible élévation résulteront d'une compétition entre l'augmentation d'accumulation de neige et de ruissellement. SMHiL est un outil destiné à être appliqué à l'aval d'autres modèles de climat, globaux ou régionaux, pour une meilleure estimation des variations futures du niveau des mers.

Cette thèse est consacrée à l'étude de l'évolution des propriétés physico-chimiques d'un panache d'aérosols désertiques nord africains au cours de son transport vers l'Europe du Nord. Cet épisode de mai 2008 est considéré comme l'évènement de transport d'aérosols désertiques le plus important de ces cinq dernières années observé sur le continent européen. La propagation de ce panache a été étudiée en combinant des moyens d'observation (sols, aéroportées, spatiales) au modèle de recherche Méso-NH. L'analyse des processus de dépôt a révélée que les quantités éliminées de l'atmosphère par dépôt sec et humide représentent respectivement 7 et 40 % de la quantité émise. Les valeurs d'épaisseur optique mesurées à 440 nm sur l'Europe variaient de 0.1 à 0.8, avec un maximum proche de 1 au-dessus des Pays-Bas. Au-dessus de cette région, les aérosols désertiques sont principalement situés entre 2.5 et 5.2 km d'altitude, mais aussi proche de la surface. La concentration en aérosols désertiques au sein de ces deux couches a été estimée respectivement à 350 et 450 휇g.m-3. Néanmoins, les mesures réalisées ne présentaient pas les caractéristiques optiques habituellement associées à la présence d'aérosols désertiques. En particulier, la présence d'une importante dépendance spectrale a été observée le 30 mai à proximité de Cabauw. L'exploitation des simulations ont permis de montrer que cela résultait d'une efficacité de lessivage plus importante du mode grossier. La présence d'aérosols désertiques coïncide avec une augmentation de la concentration des noyaux de condensation (CCN). Nos résultats suggèrent que le mélange entre le panache et les aérosols de pollution d'origine anthropique a conduit à une augmentation des capacités hygroscopiques des aérosols désertiques. Ce travail de recherche confirme ainsi que les conditions physico-chimiques de l'atmosphère régissent le cycle de vie des aérosols.

Le Sud-Ouest du Bassin de Paris, domaine faiblement subsident assurant la transition entre les bassin de Paris et d'Aquitaine, est une zone clé pour comprendre l'évolution et l'individualisation de ces bassins. L'objectif de cette étude est d'effectuer une synthèse géologique régionale du Sud-Ouest du Bassin de Paris afin d'en caractériser les déformations subtiles et leurs différentes longueurs d'ondes. A partir de données d'affleurements, nous avons habillé des puits diagraphiés de la Banque du Sous-Sol (proche des affleurements) et deux puits de référence : Boussay1 et Saint-Georges-sur-Moulon1. Nous proposons un modèle de signature diagraphique des différents faciès sédimentaires pour chaque niveau stratigraphique du Jurassique moyen et supérieur. Les corrélations séquentielles régionales ont permis d'identifier 4 cycles Transgression/Régression de 2ème ordre (x10Ma), similaires à ceux définis dans le centre du Bassin de Paris. Nous montrons des géométries (1) aggradantes légérement progradantes au Jurassique inférieur et moyen (2) aggradantes au Bathonien et (3) progrado-aggradantes au Jurassique supérieur avec un prisme de bas niveau à la base de l'Oxfordien supérieur. L'analyse de la déformation sur les lignes de sismique réflexion, retraitées par le BRGM, a permis de caractériser deux ordres de longueur d'onde : des failles de courte et moyenne longueur d'onde et des déformations souples de moyenne à grande longueur d'onde. Nous montrons que (1) les failles de courte longueur d'onde ne génèrent pas de cycle stratigraphique et (2) que la production carbonatée est le facteur majeur du contrôle des géométries sédimentaires du Jurassique du Sud-Ouest du bassin de Paris.

Volatile elements released from the subducting slab play a fundamental role during the formation of arc magmas in the mantle wedge. Advances of melt inclusion studies enlarged the data on volatile abundance in arc magmas, and it is now possible to characterize some volatile contents in arc primary magmas, in particular F and Cl. A recent study of Mt Shasta melt inclusions (LeVoyer et al., 2010) shows that fractionation of F and Cl potentially contains information about arc magma genesis. In order to trace the source of arc magmas, fluorine and chlorine partitioning was investigated. Here, I present new experimental determinations of Cl and F partition coefficients between dry and hydrous silicate melts and mantle minerals: olivine, orthopyroxene, clinopyroxene, plagioclase, garnet and also pargasite and phlogopite. The values were compiled from more than 300 measurements in 24 melting experiments, conducted between 8 and 25 kbars and between 1180 and 1430˚C. The low abundance F, Cl measurements in minerals were done by Cameca IMF 1280 at WHOI using the negative secondary ion mode. The results show that DOpx/meltF ranges from 0.123 to 0.021 and DCpx/meltF ranges from 0.153 to 0.083, while Cl partition coefficient varies from DOpx/meltCl from 0.002 to 0.069 and DCpx/meltCfrom 0.008 to 0.015, as well. Furthermore, DOl/meltF ranges from 0.116 to 0.005 and DOl/meltCl from 0.001 to 0.004; DGrt/meltF ranges from 0.012 to 0.166 and DGrt/meltCl from 0.003 to 0.087 with the increasing water amount and decreasing temperature. I also show that F is compatible in phlogopite DPhl/meltF > 1.2) while DAmp/meltF is incompatible in pargasite DAmp/meltF from 0.36 to 0.63). On the contrary, Cl is more incompatible in phlogopite (DPhl/meltCl > 1.2 on average 0.09 ± 0.02), than in pargasite (DPhl/meltCl from 0.12 to 0.38). This study demonstrates that F and Cl are substituted in specific oxygen site in minerals that lead then to be more sensitive than trace elements to crystal chemistry and water amount variations thus melting conditions. Using those new partition coefficients, I modelled melting of potential sub-arc lithologies with variable quantity aqueous-fluid. This model is able to decipher 1) amount of aqueous-fluid involved in melting, 2) melting induced by fluid or melting of an hydrous mineral-bearing source and 3) melting of either pargasite-bearing lithology or phlogopite-bearing lithology and shows that sources of some primitive melts, for instance from Italy, bear pargasite and phlogopite, while some primitve melts seem to be the results of fluid-induced melts.

Large-scale accretionary and collisional crustal orogenic architecture is studied combining structural geology, lithostratigraphy, geochronology and magmatic petrology with gravity, magnetic and seismic data. This multidisciplinary approach allows characterizing the structure and composition of the orogenic crust in two accretionary-collisional systems. The Central Asian Orogenic Belt (CAOB) constituting one third of the Asia continent and the Bohemian Massif are two Palaeozoic orogens formed by accretion followed by collision. It is proposed that the CAOB formed by successive Paleozoic accretion of oceanic and continental fragments followed by a late Palaeozoic to early Mesozoic N-S convergence of North Chinese and Siberian Cratons. The comparison between the potential fields and the geological data reveals an incorrect compartmentalization into different lithostratigraphic terranes. In contrast to geology the geophysical approach allows the analysis of the crustal structures on a complete thickness of crustal column. This thesis presents a compilation of geological data combined with unique gravity and magnetic results which are integrated into a preliminary model for the architecture of the continental crust. Conversely, an important collection of complementary data is available for the Bohemian Massif, allow more precise 3D geophysical forward modeling. In this area, geophysical data reveal the occurrence of an allochtonous lower crustal layer with a felsic composition. This indicates that the Variscan orogenic crust actually resulted from the accretion of contrasted crustal fragments.